Twistronics - Twistronics

Атомном масштабе муаровый узор создается путем наложения двух перекошенных листов графена , в гексагональную решетку , состоящую из углеродных атомов.

Твистроника (от твиста и электроники ) - это исследование того, как угол (скручивание) между слоями двухмерных материалов может изменять их электрические свойства. Было показано, что такие материалы, как двухслойный графен , имеют совершенно разное электронное поведение, от непроводящего до сверхпроводящего , которое сильно зависит от угла между слоями. Термин был впервые введен исследовательской группой Эфтимиоса Каксираса в Гарвардском университете при теоретическом рассмотрении сверхрешеток графена.

История

В 2007 году физик из Национального университета Сингапура Антонио Кастро Нето выдвинул гипотезу о том, что прижатие двух смещенных друг к другу листов графена может дать новые электрические свойства, и отдельно предположил, что графен может открыть путь к сверхпроводимости, но он не объединил эти две идеи. В 2010 году исследователи из Universidad Técnica Federico Santa María в Чили обнаружили, что при определенном угле, близком к 1 градусу, полоса электронной структуры скрученного двухслойного графена становится полностью плоской, и из-за этого теоретического свойства они предположили, что коллективное поведение может быть возможным. . В 2011 году Аллан Макдональд (из Техасского университета в Остине ) и Рафи Бистрицер, используя простую теоретическую модель, обнаружили, что для ранее найденного «магического угла» количество энергии, которое потребуется свободному электрону для туннелирования между двумя листами графена, радикально меняется. В 2017 году исследовательская группа Эфтимиоса Каксираса из Гарвардского университета использовала подробные квантово-механические расчеты, чтобы уменьшить неопределенность в угле закручивания между двумя слоями графена, который может вызвать необычное поведение электронов в этой двумерной системе. В 2018 году Пабло Харилло-Эрреро , экспериментатор из Массачусетского технологического института , обнаружил, что магический угол привел к необычным электрическим свойствам, предсказанным учеными UT Остина. При вращении на 1,1 градуса при достаточно низких температурах электроны переходят из одного слоя в другой, создавая решетку и явление сверхпроводимости.

Публикация этих открытий привела к появлению множества теоретических работ, направленных на понимание и объяснение этого явления, а также к многочисленным экспериментам с использованием разного количества слоев, углов скручивания и других материалов.

Характеристики

Анимация твистроника. Здесь у нас есть 2 наложенных друг на друга листа, один из которых поворачивается в общей сложности на 90 градусов. Мы видим, что с изменением угла поворота меняется и периодичность.

Сверхпроводимость и изоляция

Теоретические предсказания сверхпроводимости были подтверждены Пабло Харилло-Эрреро и его учеником Юань Цао из Массачусетского технологического института и коллегами из Гарвардского университета и Национального института материаловедения в Цукубе , Япония. В 2018 году они подтвердили, что сверхпроводимость существует в двухслойном графене, где один слой повернут на угол 1,1 ° относительно другого, образуя муаровый узор при температуре 1,7 К (-271,45 ° C; -456,61 ° F). Они создали два двухслойных устройства, которые действовали как изолятор вместо проводника в магнитном поле. Увеличение напряженности поля превратило второе устройство в сверхпроводник.

Еще одним достижением в твистронике является открытие метода включения и выключения сверхпроводящих путей с помощью небольшого перепада напряжения.

Гетероструктуры

Также были проведены эксперименты с использованием комбинаций слоев графена с другими материалами, которые образуют гетероструктуры в виде атомно тонких листов, удерживаемых вместе слабой силой Ван-дер-Ваальса . Например, исследование, опубликованное в журнале Science в июле 2019 года, показало, что с добавлением решетки нитрида бора между двумя листами графена были созданы уникальные орбитальные ферромагнитные эффекты под углом 1,17 °, которые можно было использовать для реализации памяти в квантовых компьютерах . Дальнейшие спектроскопические исследования скрученного двухслойного графена показали сильные электрон-электронные корреляции под магическим углом.

Электронная лужа

Между двумерными слоями селенида висмута и дихалькогенида исследователи из Северо-Восточного университета в Бостоне обнаружили, что при определенной степени скручивания новый слой решетки, состоящий только из чистых электронов, будет развиваться между двумя двумерными элементарными слоями. Квантовые и физические эффекты выравнивания между двумя слоями, по-видимому, создают области «лужи», которые захватывают электроны в стабильную решетку. Поскольку эта стабильная решетка состоит только из электронов, это первая наблюдаемая неатомная решетка, которая предлагает новые возможности для ограничения, контроля, измерения и транспортировки электронов.

Ферромагнетизм

Было показано, что трехслойная конструкция, состоящая из двух слоев графена с двумерным слоем нитрида бора, обладает сверхпроводимостью, изоляцией и ферромагнетизмом. В 2021 году это было достигнуто на одной чешуйке графена.

Смотрите также

использованная литература